1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Тепловой насос на сточных водах

Отопление удаленной канализационной насосной станции тепловым насосом

С.В. Дубровский, главный энергетик, ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ», г. Набережные Челны

В 2011 г. на канализационной насосной станции (КНС-3) ЗАО «ЧЕЛНЫВОДОКАНАЛ» веден в эксплуатацию первый в Республике Татарстан тепловой насос, работающий на сточных водах.

О внедрении теплового насоса на предприятии задумались достаточно давно, т.к. на очистные сооружения сбрасывается огромное количество стоков, низкопотенциальную энергию которых можно и нужно использовать для отопления помещений и обеспечения ГВС. Но, прежде чем решиться на этот шаг, достаточно продолжительное время изучался опыт внедрения тепловых насосов на других предприятиях. Были поездки в Пермь, где имелся опыт эксплуатации отечественного оборудования, и Вологду, где на аналогичной станции с июля 2010 г. работает тепловой насос зарубежного производства. По отзывам работников КНС в Вологде благодаря реконструкции системы отопления им стало очень комфортно работать зимой на станции, плюс к этому на КНС появилась горячая вода.

Для внедрения теплового насоса в Набережных Челнах была выбрана КНС-3, что объясняется несколькими моментами. Главный из них — местоположение. КНС-3, которая принимает 15-17 тыс. м 3 стоков в сутки с температурой не ниже 12 °С, обслуживает часть северо-восточного района города. Это одна из станций, расположенных далеко от теплосетей, поэтому здесь в системе отопления установлены электрокотлы. К тому же отапливать и обеспечивать ГВС необходимо не только КНС-3, но и находящийся рядом административно-бытовой комплекс, где круглосуточно базируется ремонтно-аварийная бригада. Общая отапливаемая площадь двух объектов составляет более 800 м 2 .

Тепловой насос действует следующим образом. В «стакан» КНС, где собираются стоки, помещен коллектор в виде двух барабанов полиэтиленовой трубы диаметром 40 мм и длиной 500 м со специальным раствором внутри (монопропиленгликолем) — так называемый контур низкопотенциального тепла. Вещество постоянно циркулирует внутри этого контура и переносит тепло стоков в тепловой насос, где происходит повышение температуры теплоносителя до значения, достаточного для обогрева помещений.

В качестве основного оборудования было принято решение использовать тепловой насос одной из шведских компаний (рис. 1), т.к. такое оборудование уже работало в Вологде и имело положительные отзывы. Немаловажным было также и то, что официальное представительство компании в России находится в Нижнем Новгороде, а офис по гарантийному и сервисному обслуживанию оборудования — в Ижевске. Такая территориальная близость является большим плюсом.

Электрическая мощность, потребляемая тепловым насосом, составляет 11 кВт, а максимальная тепловая, передаваемая в систему отопления, — 0,038 Гкал/ч (при коэффициенте преобразования энергии — 4). Температура теплоносителя в системе отопления — 60 °С, но также предусмотрен дополнительный электрический нагреватель, который при необходимости позволяет догреть воду до 70 °С. Температура воды в системе ГВС установлена на уровне 45 °С.

Принципиальная схема теплового узла КНС-3 представлена на рис. 2.

Инструкцией по эксплуатации срок службы теплового насоса не установлен, но по аналогии применения холодильного оборудования предполагается, что он будет не менее 20-25 лет.

Выгоды от внедрения теплового насоса очевидны. С помощью нового оборудования расход электроэнергии уменьшился примерно в 4 раза. В 2010 г. на КНС-3 на отопление и ГВС было затрачено 244 тыс. кВт.ч электроэнергии, а после установки теплового насоса — около 56 тыс. кВт.ч в год.

Есть еще одно существенное преимущество теплового насоса — он практически не нуждается в обслуживании, следовательно, нет никаких затрат на его эксплуатацию. Нужно также отметить и то, что при установке насоса не понадобилось менять систему отопления — остались те же батареи и трубы. Но вместе с тем надо признать, что подобное оборудование необходимо применять с системой отопления, обеспечивающей максимальное использование его возможностей, т.е. должны быть минимальные потери и хороший теплосъем.

Стоимость теплового насоса составила 840 тыс. руб. По нашим оценкам он должен окупиться за 2,5 года. Так, общий размер платежей за электроэнергию по этой станции за прошедший отопительный сезон снизился более чем на 300 тыс. руб.

В 2012 г. еще на двух канализационных станциях предприятия установлено подобное оборудование.

Тепловые насосы для российских городов

И. А. Султангузин, доктор техн. наук, профессор

А. А. Потапова, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Говорин, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

А. В. Албул, Институт проблем энергетической эффективности (ИПЭЭф), Московский энергетический институт (Технический университет)

Бурно развивающийся рынок тепловых насосов малой мощности (до 100 кВт) позволяет предположить возможность эффективного использования аналогичных устройств большой мощности – до 30 МВт и более. Их применение особо актуально в городах, где остро стоит проблема утилизации тепловых отходов, например, сточных вод. Немаловажными являются вопросы использования в тепловых насосах экологичных хладогентов.

Применение высокотемпературных тепловых насосов

Каковы перспективы применения мощных тепловых насосов для модернизации и развития систем теплоснабжения? Их преимущества по сравнению с маломощными тепловыми насосами заключаются в следующем:

  • более низкие удельные капиталовложения (на 1 кВт тепловой мощности);
  • меньшая занимаемая площадь по сравнению с большим количеством маломощных тепловых насосов;
  • более высокие технико-экономические показатели отдельных элементов (например, изоэнтропный КПД компрессора) и теплового насоса в целом.

В нашей стране наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы с винтовыми компрессорами производят в Новосибирске (ЗАО «Энергия») тепловой мощностью 500–3 000 кВт (большая мощность достигается за счет объединения блоков по 500 кВт), с центробежными компрессорами – в Казани (НПО «Казанькомпрессормаш») тепловой мощностью до 8,5–11,5 МВт.

В мире наиболее крупные парокомпрессионные тепловые насосы имеют тепловую мощность до 30 МВт с двухступенчатыми центробежными компрессорами.

Для теплоснабжения Стокгольма построена и работает станция тепловых насосов с 6 агрегатами общей мощностью 180 МВт. В качестве источника теплоты используется морская вода, в зимний период температура которой опускается до 2–4 °С. В Хельсинки и Осло работают тепловые насосы на сточных водах. В летний период они производят одновременно тепло для горячего водоснабжения и холод для кондиционирования крупных торговых и бизнес-центров.

Применение тепловых насосов большой мощности наиболее эффективно в крупных городах, где большие тепловые и холодильные нагрузки в течение длительного периода и где остро стоит проблема утилизации отходов, в том числе и тепловых, таких как сточные воды.

Тепловой насос на сточных водах

В качестве примера рассмотрим работу теплового насоса с двухступенчатым центробежным компрессором и промежуточным сосудом с тепловой мощностью 17 МВт. На рис. 1 представлена схема такого теплового насоса с температурой в испарителе 3,5 °С и 90,1 °С в конденсаторе. В качестве рабочего тела используется хладагент R-134a (1,1,1,2-тетрафторэтан CH2F-CF3) с температурой 101,08 °С и давлением 40,603 бар в критической точке, не оказывающий влияния на озоновый слой.

Тепловая схема высокотемпературного теплового насоса при использовании тепла сточных вод.

По результатам расчета теплового насоса [1] потребление электрической энергии на привод компрессора получилось равным Nэ = 7 075 кВт.

Коэффициент трансформации тепла, определяемый как отношение тепловой мощности компрессора к величине потребляемой им электрической энергии, получается равным 17 000/7 075 = 2,40.

Это немного, однако нужно учитывать, что специально выбирался вариант расчета теплового насоса с большим диапазоном разности температур хладагента в испарителе и конденсаторе:

t = 90,1 – 3,5 = 86,6 °С, недоступный для большинства других типов тепловых насосов.

При подаче в испаритель охлаждаемой воды в летний период вместо сточных вод тепловой насос помимо тепла может производить холод для систем кондиционирования, при этом его холодопроизводительность будет равна Qисп = 10 073 кВт.

Тепловой насос на обратной сетевой воде

В статье [2] рассматривается возможность применения тепловых насосов, использующих теплоту обратной сетевой воды в непосредственной близости от потребителей (на ЦТП, пиковой котельной и т. д.), которая возвращается на ТЭЦ из системы централизованного теплоснабжения.

Одним из важных достоинств такой тепловой схемы является снижение температуры обратной воды, что позволит повысить комбинированную выработку электроэнергии на ТЭЦ на тепловом потреблении. Это тем более актуально в связи с тем, что температура обратной сетевой воды постоянно завышается, чему есть много разных причин, и не только технических. В двух таких разных городах, как Краснодар и Красноярск, было отмечено превышение температуры воды в обратной линии систем теплоснабжения в зимний период над нормативной по тепловому графику на 5–8 °С.

Для сравнения был проведен расчет рассмотренного выше теплового насоса на тепле обратной сетевой воды. Было принято, что температура хладагента в конденсаторе равна тем же 90,1 °С, а в испарителе 40 °С. Часть сетевой воды, поступающая из обратного трубопровода системы теплоснабжения, направляется в испаритель, где охлаждается с 58 до 46 °С и затем возвращается на ТЭЦ. Вода из обратной линии внутреннего контура системы отопления локального потребителя, направляется в конденсатор теплового насоса и нагревается с 58 до 88 °С для возврата потребителю.

При тепловой мощности конденсатора 17 000 кВт потребление электрической энергии на привод компрессора составит 4 050 кВт, а коэффициент трансформации тепла соответственно будет равен 4,20.

При определении мест для установки и наиболее эффективной работы тепловых насосов в системе централизованного теплоснабжения необходимо определить приоритетную шкалу их энергетической и экономической эффективности. Для определения такой шкалы наиболее интересной представляется работа [3] , согласно которой тепловые насосы должны в первую очередь замещать электрические котлы и водогрейные котлы на органическом топливе и не снижать комбинированную выработку электроэнергии ТЭЦ на тепловом потреблении.

Перспективы применения высокотемпературных тепловых насосов для развития систем теплоснабжения Москвы

Создание крупных теплонасосных установок (мощностью до 100 МВт) для развития систем теплоснабжения города Москвы активно обсуждалось в конце 1970-х годов, однако, к великому сожалению, эта программа не была принята к реализации.

Мировой опыт развития крупной теплонасосной техники 1980–2000 годов полностью подтвердил их высокую энергетическую эффективность.

Для создания современных тепловых насосов большой мощности необходимо присутствие нескольких факторов: государственная программа целевого финансирования; законодательство, стимулирующее применение энергосберегающего и экологически чистого оборудования; уровень цен на энергетические ресурсы, вынуждающий потребителей внедрять энергосберегающую технику.

Другим вариантом (не альтернативным) является закупка зарубежного теплового насоса большой мощности для демонстрационного проекта теплоснабжения одного из районов Москвы.

В условиях относительно низких цен на природный газ эффективным может стать проект создания теплового насоса с газопоршневым и газотурбинным приводом и утилизацией тепла в котле-утилизаторе.

Также перспективным может быть применение абсорбционных тепловых насосов с газовым обогревом. В [4] показано, что при развитии систем теплоснабжения абсорбционные и парокомпрессионные тепловые насосы не должны противопоставляться друг другу, но нужно использовать лучшие качества каждого из них и находить такие комплексные решения, которые позволили бы получить максимальную выгоду от их совместного использования при производстве тепла и холода для кондиционирования.

Основным заказчиком для реализации тепловых насосов большой мощности может стать ОАО «МОЭК». Для реализации тепловых схем с тепловыми насосами на сточных водах и обратной сетевой воде в совместную работу могут быть вовлечены МГУП «Мосводоканал» и ОАО «Мосэнерго», что даст значительный энергосберегающий и экологический эффект для Москвы.

Создание экологичных хладагентов

Актуальной является проблема использования в тепловых насосах систем теплоснабжения хладагентов, не влияющих на озоновый слой и на глобальное потепление.

В 1990-е годы в России рядом институтов страны был выполнен большой объем работ по переводу промышленности на новый класс химических соединений взамен запрещенных озоноразрушающих веществ (ОРВ). В результате проведенных исследований предложена номенклатура новых хладагентов: гидрофторуглероды ГФУ R-134а,

R-152a, R-125, R-32 и др. Основное отличие данных соединений от ОРВ – отсутствие в их молекулах атомов хлора и брома, которые могут участвовать в цикле разложения озона. Кроме нулевого значения озоноразрушающего потенциала (ODP) и величины потенциала глобального потепления климата (GWP) главным критерием при выборе заменителей ОРВ является близость физико-химических и эксплуатационных свойств к аналогичным характеристикам заменяемых ОРВ. Основные свойства хладагентов представлены в таблице.

В мире намечается тенденция активного использования хладагентов четвертого поколения, имеющих высокую эффективность, не влияющих на озоновый слой и оказывающих минимальное воздействие на глобальное потепление (рис. 2).

История развития хладагентов

На основе моделирования построена прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов (рис. 3), происходящих в тепловом насосе на новом хладагенте четвертого поколения R-1234ze(E) (тетрафторпропилене CF3CH=CHF). Из диаграммы видно, что двухступенчатая схема с промежуточным сосудом позволяет наиболее простым и надежным способом обеспечить высокотемпературный нагрев сетевой воды системы теплоснабжения [4]. Промежуточный сосуд действует как сепаратор фазы при промежуточном давлении после попадания туда парожидкостной смеси (поток 7 на рис. 1) и перегретого пара (поток 2) и является самым легким способом создания двухступенчатой системы (без риска попадания жидкости во вторую ступень компрессора с потоком 11). Дополнительное повышение эффективности дает переохлаждение хладагента в переохладителе (процесс 3–6), т. к. при этом повышается передаваемая потребителю тепловая нагрузка в конденсаторе (процесс 5–6) без увеличения расхода хладагента.

Прогнозная P-H диаграмма тепловых процессов работы двухступенчатого теплового насоса на хладагенте 1234ze(E) на сточных водах

Сравнение характеристик теплового насоса по коэффициенту трансформации тепла показывает, что для R-134а μ= 2,4 [1], для R-1234yf = 2,2, для

R-1234ze(E)μ = 2,6. Большее значение коэффициента трансформации для хладагента R-1234ze(E) во многом обусловлено большим значением критической температуры (см. таблицу).

Обзор производителей тепловых насосов, представленных на российском рынке

Тепловой насос – это устройство, которое нагревает воду систем отопления и горячего водоснабжения, сжимая фреон, изначально подогретый от источника низкопотенциального тепла, компрессором до 28 бар. Подвергаясь высокому давлению, газообразный теплоноситель с изначальной температурой 5-10 °С; выделяет большое количество тепла. Что позволяет прогреть теплоноситель системы потребления до 50-60 °С, без применения традиционных видов топлива. Поэтому считается, что тепловой насос обеспечивает пользователя самым дешёвым теплом.

Подробнее о достоинствах и недостатках смотрите видео:

Подобное оборудование уже более 40 лет эксплуатируется в Швеции, Дании, Финляндии и других странах, на государственном уровне поддерживающих развитие альтернативной энергетики. Не так активно, но увереннее с каждым годом, тепловые насосы выходят на российский рынок.

Цель статьи: сделать обзор популярных моделей тепловых насосов. Информация будет полезна тому, кто стремится максимально сэкономить на отоплении и горячем водоснабжении собственного дома.

Тепловой насос обогревает дом бесплатной энергией природы

В теории, отбор тепла возможен из воздуха, грунта, грунтовых вод, сточных вод (в том числе из септика и КНС), открытыъ водоёмов. На практике – для большинства случаев доказана целесообразность использования оборудования, забирающего тепловую энергию из воздуха и грунта.

Варианты с отбором тепла от септика или канализационной насосной станции (КНС) – самые заманчивые. Прогоняя через ТН теплоноситель с 15-20 °С, на выходе можно получить не менее 70 °С. Но приемлем этот вариант только для системы горячего водоснабжения. Отопительный контур снижает температуру в «заманчивом» источнике. Что ведёт к ряду неприятных последствий. Например, обмерзанию стоков; а если теплообменный контур теплового насоса размещён на стенках отстойника, то и самого септика.

Самые популярные ТН под потребности СО и ГВС – геотермальные (использующие тепло земли) устройства. Они выделяются наилучшими эксплуатационными показателями в условиях тёплого и холодного климата, в песчаном и глинистом грунте с разным уровнем грунтовых вод. Потому что температура грунта ниже глубины промерзания почти не изменяется на протяжении всего года.

Принцип действия теплового насоса

Теплоноситель нагревается от источника низкопотенциального (5…10 °С) тепла. Насос сжимает хладагент, температура которого при этом повышается (50…60 °С) и нагревает теплоноситель системы отопления или ГВС.

В процессе работы ТН задействованы три тепловых контура:

  • наружный (система с теплоносителем и циркуляционным насосом);
  • промежуточный (теплообменник, компрессор, конденсатор, испаритель, дроссельный клапан);
  • контур потребителя (циркуляционный насос, тёплый пол, радиаторы; у ГВС – бак, точки водоразбора).

Сам процесс выглядит следующим образом:

Контур съёма тепловой энергии

  1. Грунт нагревает солевой раствор.
  2. Циркуляционный насос поднимает рассол в теплообменник.
  3. Раствор охлаждается хладагентом (фреоном) и возвращается в грунт.
  1. Жидкий фреон, испаряясь, забирает тепловую энергию у рассола.
  2. Компрессор сжимает хладагент, его температура резко повышается.
  3. В конденсаторе фреон через испаритель отдаёт энергию теплоносителю отопительного контура и снова становится жидким.
  4. Остывший хладагент, через дроссельный клапан уходит к первому теплообменнику.
  1. Подогретый теплоноситель отопительной системы подтягивается циркуляционным насосом к рассеивающим элементам.
  2. Отдаёт тепловую энергию воздушной массе помещения.
  3. Остывший теплоноситель по обратной трубе возвращается к промежуточному теплообменнику.

Видео с подробным описанием процесса:

Что дешевле для отопления: электричество, газ или тепловой насос?

Приведем затраты на подключение каждого из типа отопления. Для представления общей картины возьмем Московскую область. В регионах цены могут отличаться, но соотношение цен останется прежним. В расчетах принимаем, что участок «голый» — без проведеного газа и электричества.

Затраты на подключение

Тепловой насос. Укладка горизонтального контура по ценам МО – 10 000 рублей за смену экскаватора с кубовым ковшом (выбирает до 1 000 м³ грунта за 8 часов). Система для дома в 100 м² будет закопана за 2 дня (справедливо для суглинка, на котором можно снять до 30 Вт тепловой энергии с 1 м.п. контура). Порядка 5 000 рублей потребуется для подготовки контура к работе. В итоге, горизонтальный вариант размещения первичного контура обойдётся в 25 000.

Скважина выйдет дороже (1 000 рублей за погонный метр, с учётом монтажа зондов, обвязки их в одну магистраль, заправкой теплоносителем и опрессовкой.), но значительно выгоднее для будущей эксплуатации. При меньшей занятой площади участка возрастает отдача (для скважины 50 м – минимум 50 Вт с метра). Покрываются потребности насоса, появляется дополнительный потенциал. Поэтому вся система будет работать не на износ, а с некоторым запасом мощности. Разместить 350 метров контура в вертикальных скважинах – 350 000 рублей.

Газовый котёл. В Московской области за подключение к газовой сети, работы на участке и монтаж котла «Мособлгаз» запрашивает от 260 000 рублей.

Электрический котел. Подключение трёхфазной сети обойдётся в 10 000 рублей: 550 – местным электросетям, остальное – на распределительный щит, счётчик и прочее наполнение.

Потребление

Для работы ТН с тепловой мощностью 9 кВт требуется 2.7 кВт/ч электроэнергии – 9 руб. 53 коп. в час,

Удельная теплота при сгорании 1 м³ газа – те же 9 кВт. Бытовой газ для МО выставлен по 5 руб. 14 коп. за куб.

Электрокотёл потребляет 9 кВт/ч = 31 руб. 77 коп. в час. Разница с ТН – почти в 3,5 раза.

Эксплуатация

  • Если подведён газ, то наиболее рентабельный вариант для отопления – газовый котёл. Стоит оборудование (9 кВт) минимум 26 000 рублей, месячная оплата за газ (по 12 ч/сутки) составит 1 850 рублей.
  • Мощное электрооборудование выгоднее с точки зрения организации трёхфазной сети и приобретения самого оборудования (котлы – от 10 000 рублей). Тёплый дом будет стоить 11 437 рублей за месяц.
  • С учётом первоначальных вложений в альтернативное отопление (оборудование 275 000 и монтаж горизонтального контура 25 000), ТН, расходующий электричества на 3 430 руб/месяц, окупится не ранее чем через 3 года.

Сравнивая все варианты отопления, при условии создания системы «с нуля», становится очевидным: газ будет не намного выгоднее геотермального теплонасоса, а обогрев электричеством в перспективе 3 лет безнадёжно проигрывает обоим этим вариантам.

С подробными расчётами в пользу эксплуатации теплового насоса можно ознакомиться, просмотрев видео от производителя:

Некоторые дополнения и опыт эффективной эксплуатации освещены в этом ролике:

Основные характеристики

При выборе оборудования из всего многообразия характеристик обратите внимание на следующие характеристики.

Тепловой насос на сточных водах

text-align:right;text-indent:1.0cm»>
Агишева Ирина Рафаилевна

text-align:right;text-indent:1.0cm»>
студентка 4 курса, кафедра теплоэнергетики ОГУ, г Оренбург

text-align:right;text-indent:1.0cm»>
Наумов Сергей Александрович

text-align:right;text-indent:1.0cm»>
научный руководитель, канд. техн. наук, доцент ОГУ, г. Оренбург

На сегодняшний день, когда возрастает спрос на энергоресурсы, увеличивается рост тарифов на них, и сокращаются запасы традиционных источников энергии, особое значение приобретает вопрос об энергосбережении. Многие страны мира разрабатывают и реализуют стратегии повышения эффективности использования энергетических ресурсов.

Одним из перспективных направлений в области энергосбережения является внедрение теплонасосных установок (ТНУ). Данная технология, позволяющая частично вытеснить органическое топливо и обеспечить теплоснабжение с минимальными затратами первичной энергии, находится в центре внимания зарубежных и отечественных исследователей и промышленных фирм. [3, с. 12]

Тепло-хладоснабжение с помощью тепловых насосов относится к области энергосберегающих технологий и получает всё большее распространение в мире. Данная технология, по заключению целого ряда авторитетных международных организаций, наряду с другими энергосберегающими технологиями, относится к технологиям XXI века.

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы могут также использовать тепло в качестве источника энергии (с помощью электроэнергии или топлива).

В основу принципа действия наиболее распространенных парокомпрессионных тепловых насосов положены два физических явления:

  • поглощение и выделение тепла веществом при изменении агрегатного состояния — испарении и конденсации соответственно;
  • изменение температуры испарения (и конденсации) при изменении давления.

Схема теплового насоса представлена на рис.1. В испарителе рабочее тело, обычно хладон, находится под низким давлением и кипит при низкой температуре, поглощая теплоту низкопотенциального источника. Затем рабочее тело сжимается в компрессоре, приводимом в действие электрическим или иным двигателем, и поступает в конденсатор, где при высоком давлении конденсируется при более высокой температуре, отдавая теплоту испарения приёмнику тепла, например, теплоносителю системы отопления. Из конденсатора рабочее тело через дроссель вновь поступает в испаритель, где его давление снижается, и снова начинается процесс кипения.

Рис.1 Схема теплового насоса.

text-indent:1.0cm;line-height:150%»>
1 — конденсатор (К), 2 — дроссель, 3 — испаритель (И),
4- компрессор (К.Р.).

Существуют следующие виды природных источников низкопотенциального тепла, от которых возможен отбор накопленной тепловой энергии, это:

  • грунт (тепло земли);
  • водоемы и реки (тепло воды);
  • воздух (тепло окружающего воздуха или тепло вентиляционных выбросов);
  • сточные воды.

На сегодняшний день одними из наиболее эффективных технологий энергосбережения в области тепло-хладоснабжения с помощью теплового насоса являются рекуперация теплоты сточных вод и воздуха, выбрасываемого вентиляционными системами.

Тепловые насосы, использующие тепло вентиляционных выбросов приточно-вытяжной вентиляции, температура которых составляет около

+20 °С и мало изменяется в течение года, могут быть установлены в многоквартирных и индивидуальных зданиях. Это позволяет получить более высокий коэффициент преобразования тепла по сравнению с другими источниками низкопотенциального тепла. С другой стороны, вентиляционный воздух является сравнительно ограниченным источником тепла, и экономически невыгодно увеличивать воздушный вентиляционный поток, так как в результате это приведет к увеличению потребности в теплоснабжении.

Сточные воды так же, как и воздух вентиляционных выбросов, являются низкопотенциальными источниками тепла, удобные для использования тепловыми насосами. Сточные воды при температуре около +20 °С летом и редко менее +8 °С зимой имеются, как правило, во всех городских застройках. Различают следующие виды сточных вод:

  • к бытовым стокам относят хозяйственные сточные воды, поступающие с жилых зданий и промышленных предприятий: кухонь, ванных, бань, прачечных, туалетов, больниц и т. п. По происхождению они могут быть хозяйственные, загрязненные хозяйственными отходами, и фекальные, загрязненные физиологическими отходами;
  • в категорию производственных стоков попадают различные технологические отходы, которые перестают отвечать определенным критериям качества и подлежат удалению с территории, а также отходы, попадающие на поверхность вследствие добычи нефти, руды, угля и других полезных ископаемых;
  • атмосферный вид сточных вод включает в себя дождевые и талые воды, выпадение которых отличается, как известно, эпизодичностью и неравномерностью. Кроме этого, сюда относят также воды от поливки улиц, фонтанов и дренажных систем, так как по содержанию и характеристике загрязняющих веществ они наиболее близки к дождевым водам.
  • Обычная схема утилизации тепла сточных вод включает в себя тепловой насос и систему теплообменных устройств, которые устанавливаются на очищенных стоках. Тепловой насос, отбирая от стоков низкопотенциальную энергию, повышает температуру теплоносителя в выходном контуре. Главным недостатком такого решения является проблема ретранспортировки полученной энергии. Недостаток возможно устранить, если данную систему установить на канализационно-насосной станции (КНС). [2, с. 51]

Схема внедрения ТНУ на КНС представлена на рис. 1.

На чертеже изображена схема системы горячего водоснабжения здания и воздушного отопления. На канализационно-насосной станции установлена система очистки, включающая механическую, биологическую и физико-химическую очистку. На этапе механической очистки сточных вод происходит осаждение механических, нерастворимых в воде крупных и мелких примесей и взвешенных частиц. Применяются решетки, песколовки и отстойники. В ходе биологической очистки сточные воды очищаются от микроорганизмов, в нашей схеме применяется биофильтр. Физико-химическая очистка включает в себя хлорирование. [4, с. 67]

Рис. 1 Внедрение теплонасосной установки на канализационно-насосной станции.

1—решетки, 2—дробилки, 3—песколовки, 4—жироуловители,
5—маслоотделители, 6—перичные отстойники, 7—биологические фильтры, 8—вторичные отстойники, 9—хлораторная, 10—контактный резервуар,
11—испаритель, 12—компрессор, 13—дроссель, 14—конденсатор,
15— теплообменный аппарат, 16—индивидуальный тепловой пункт,
17— помещение
.

Очищенные сточные воды направляют в испаритель 11 теплового насоса, где используют их теплоту для подогрева холодной питьевой воды перед индивидуальным тепловым пунктом 16 в конденсаторе 14. Охлажденные использованные сточные воды после испарителя 11 сливают в канализацию. Полезно используется воздух рециркуляции в пластинчатом теплообменном аппарате 15 для предварительного подогрева теплоносителя. [1, с. 2]

В среднем температура воды на выходе из очистных сооружений г. Оренбурга составляет летом от 14 до 18 °С, зимой от 8 до 12 °С. Охлаждать данную воду, т. е. отбирать ее тепловую энергию для системы ГВС или отопления можно максимум до 2°С. Отсюда средняя разница температур составляет летом от 12 до 16 °С, а зимой – от 6 до 10°С. С 1 м 3 воды, охладив ее на 1 °С, можно отобрать 1 КВт тепловой энергии. Внедрение теплонасосной установки на канализационно-насосной станции дает возможность получения большего потенциала.

Количество получаемой полезной тепловой энергии среднего потенциала, за исключением потерь, равно сумме тепловых энергий низкого и высокого потенциалов, что обуславливает энергетическую и, как следствие, экономическую и экологическую эффективность тепловых насосов.

Идея возврата части тепловой энергии, уходящей в канализацию с горячей водой не нова, но в силу разных причин широкого распространения в России не получила. Внедрение теплонасосных станций, рекуперирующих тепло низкопотенциальных источников, внесет существенный вклад в развитие теплосберегающей политики, где основными целями являются экономия энергетических ресурсов, повышение надежности и эффективности функционирования, снижение воздействия на окружающую среду и обеспечение растущей электрической нагрузки

  1. Патент РФ № 2178542, кл. F24D17/02,2002.
  2. Рей Д., Макмайкл Д. Тепловые насосы: Пер. с англ. – М.:Энергоиздат, 1982. — 224 с., ил.
  3. Шилкин Н. В. Сантехника // Утилизация тепла канализационных стоков. — 2003. — № 1. — С. 12—13.
  4. Яковлев С. В., Карелин Я. А., Жуков А. И., Колобанов С. К. Канализация — М.:Стройиздат, 1975. — 633 с., ил.

Устройство системы отопления за счёт тепла сточных вод

В отсутствие дешёвого топлива единственным доступным источником тепла многим видится электрический котёл. Однако такое решение экономным никак не назовёшь — высокие тарифы на электроэнергию сводят на нет сиюминутную выгоду от низкой стоимости котла. Тем более что рынок отопительного оборудования предлагает различные альтернативы электрокотлам — в частности тепловые насосы. Широкий ряд моделей позволяет гибко адаптироваться к ситуации в каждом конкретном случае. Объект, который мы рассмотрим в этой статье, — хороший пример удачного использования теплового насоса Viessmann Vitocal 300‑G в необычных обстоятельствах.

Здание очистных сооружений. Здесь размещена и котельная, питающая теплом саму постройку, и соседствующий с ней гараж

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Объект находится на территории санатория, расположенного в посёлке Нижнеивкино в Кумёнском районе Кировской области. Среди построек санатория — гараж и здание очистных сооружений. Оба здания одноэтажные, нуждающиеся в отоплении. Площадь гаража 150 м2, объём — 650 м3, а отопительная нагрузка — 20 кВт. Здание очистных сооружений чуть меньшего объёма (590 м3), его площадь — 194 м2, отопительная нагрузка — 25 кВт. Система отопления этих построек общая — между собой здания соединены теплотрассой, потери тепла которой около 2 кВт. Поскольку санаторий не газифицирован, отопление этих строений осуществлялось за счёт электрического котла мощностью 60 кВт. Однако электричество — самый дорогой ресурс для отопления, и руководство санатория начало искать другой, менее затратный вариант.

СТОЧНЫЕ ВОДЫ — ИСТОЧНИК ТЕПЛА

Выбор пал на тепловой насос, который за счёт низких эксплуатационных расходов (вчетверо ниже, чем у электрического котла такой же мощности) позволил бы в долгосрочной перспективе существенно сэкономить на электроэнергии.

Погодозависимый контроллер Vitotronic 200 позволяет снизить расходы энергии за счёт снижения мощности теплового насоса в периоды потепления

Тем не менее вариант с участием теплового насоса типа «грунт­вода» был отвергнут из­за ожидаемо высоких расходов на его установку. Чтобы такой тепловой насос мог забирать тепло из почвы, необходимо пробурить скважину и установить грунтовой зонд на глубину в несколько десятков метров. К сожалению, бурение скважины обошлось бы слишком дорого, а окупилось бы нескоро. В таких условиях был предложен альтернативный источник тепла для первичного контура теплового насоса — сточные воды.

Санаторий производит около 800 м3 хозяйственно­бытовых стоков в сутки. При этом их температура даже в самый холодный месяц составляет +8 °С. Фактически в такой ситуации сточные воды — это постоянный источник тепла, использовать который можно с гораздо меньшими стартовыми затратами, чем при установке теплового насоса «грунт­вода».

Вместо неэффективного электрического котла в котельной установили тепловой насос «вода-вода» Viessmann Vitocal 300‑G

СИСТЕМА ОТОПЛЕНИЯ

Чтобы реализовать систему отопления за счёт тепла сточных вод, во вторичный отстойник очистных сооружений установили погружной насос Wilo Drain MTC32 F 26.17/22. Его задача — перекачивать воду из отстойника в промежуточный кожухотрубный теплообменный аппарат Secespol Jad XK 12.114. В контуре между теплообменным аппаратом и тепловым насосом циркулирует незамерзающий теплоноситель с 50 %­ным содержанием этиленгликоля. Этот контур, в свою очередь, обслуживает насос Wilo Top­S 40/10. Температура подачи на конденсатор теплового насоса — 6 °С. Контур оснащён группой безопасности и расширительным баком. Также предусмотрено реле контроля защиты от замерзания, входящее в комплект переналадки теплового насоса в модификацию «вода­вода».

Вторичный отстойник системы очистных сооружений. Он служит источником тепла для теплового насоса

Сам тепловой насос и остальное оборудование котельной размещены в здании очистных сооружений. На объекте установлен тепловой насос модели Viessmann Vitocal 300‑G BW 301.A45. Он оснащён контроллером Viessmann Vitotronic 200 WO1B, поддерживающим погодозависимое управление системой отопления. Возможность коррекции температуры подачи в зависимости от изменений погодных условий позволяет ещё больше экономить электроэнергию. Тепловая мощность Vitocal 300‑G в текущих условиях достигает 50 кВт. Коэффициент энергоэффективности модели (COP) — 4,5.

Температура подачи в систему отопления — 55 °С. Теплоноситель из теплового насоса сначала поступает в буферную ёмкость Vitocell 100‑E SPVA объёмом 950 л, а оттуда — в контур системы отопления. Ёмкость служит для аккумуляции тепла и дальнейшего его расходования на нужды отопления, с тем чтобы сократить количество включений и отключений теплового насоса. Она также выполняет функцию гидравлической развязки во вторичном и отопительном контурах системы. Буферная ёмкость Vitocell 100‑E SPVA — модель, специально разработанная для использования в связке с тепловыми насосами. Эффективная круговая изоляция помогает снизить теплопотери ёмкости и дольше сохранять накопленное тепло.

Гараж санатория. Тепло в него поступает из здания очистных сооружений по проложенной теплотрассе

В системе есть только один контур отопления. В качестве отопительных приборов в нём выступают регистры. Поскольку оба отапливаемых здания не жилые и не предназначены для пребывания людей, система ГВС в них не предусмотрена.

ИТОГИ

В заключение можно сказать, что выбор теплового насоса на замену электрическому котлу оказался полностью оправданным. При наличии круглогодичного источника тепла в окружающей среде — в данном случае сточных вод — тепловой насос позволил полностью отказаться от использования электрокотла. Даже в пиковые холода мощности теплового насоса Viessmann Vitocal 300‑G BW 301.A45 хватает для компенсации теплопотерь обеих отапливаемых построек. Благодаря ему затраты на отопление гаража и здания очистных сооружений санатория удалось сократить на 75%.

Борис Николаевич Иванов, генеральный директор ООО «Балтекс СПб. Строительство и Реновации»:

Борис Николаевич, чем занимается ваша компания, какова её миссия? Как долго вы существуете на рынке?

ООО «Балтекс СПб. Строительство и Реновации» — инжиниринговая компания, основанная в 2006 году. Миссия — внедрение и продвижение энергосберегающих технологий и практических инженерных решений на их основе.

Как давно вы работаете с продукцией Viessmann? Какие преимущества этого сотрудничества могли бы отметить?

С продукцией Viessmann работаем с 2006 года. Viessmann — это не только мировой бренд, но и передовая компания в своей области. Все преимущества — в профессионализме специалистов и высоком качестве самой продукции.

Основная сфера вашей деятельности связана с установкой тепловых насосов. Это достаточно новый для России рынок, если сравнивать с рынком котлов. Насколько сейчас развито это направление в России? Как повлиял кризис на рынок тепловых насосов? Подтолкнул ли он к развитию энергоэффективных технологий или, напротив, замедлил темпы роста?

К сожалению, скачок курса валют не сказался положительно на этом направлении, скорее наоборот. Энергоэффективные технологии пробивают свой путь с трудом, и причины этого не только в кризисе.

Какими вы видите перспективы использования тепловых насосов в России в будущем?

Весь мир идёт по пути сокращения потребления углеводородов. Россия также должна понять, что их запасы не безграничны. Кроме того, тепловые насосы дают такие возможности, которых не предложит ни одна технология. Взять хотя бы наш объект в Нижнеивкино. Мы работаем для того, чтобы показать эти возможности и доказать их эффективность.

С какими ещё энергоэффективными решениями Viessmann вы работаете?

С солнечными коллекторами для приготовления горячей воды для систем ГВС.

С какими задачами вы чаще всего сталкиваетесь в своей работе? Тепловые насосы более востребованы в частном строительстве или в коммерции?

Мы видим, что корпоративный заказчик тоже обращает внимание на тепловые насосы. Если 7–10 лет назад большинство наших заказов приходилось на частное строительство, то сейчас их примерно поровну.

Обращаетесь ли вы к технологиям дистанционного управления с помощью автоматики Viessmann (диспетчеризации и т. д.)?

Безусловно. И рекомендуем эти решения как новым, так и уже состоявшимся нашим заказчикам. Почти на всех объектах, вводимых в эксплуатацию с 2015 года, установлены телекоммуникационные интерфейсы Viessmann Vitocom 100 LAN1 для дистанционного управления и контроля отопительных установок через Интернет.

Поделитесь опытом участия в мероприятиях Viessmann, проводимых для партнёров.

Представители нашей компании регулярно участвуют в мероприятиях Viessmann. И это всегда новый опыт и новые знания. Так, сотрудники нашей компании в составе делегации Viessmann в 2014 г. посетили подразделение Viessmann в Швейцарии. Цель поездки — ознакомиться с применением тепловых насосов, использующих тепло сточных вод. Помимо завода Viessmann, делегации показали несколько объектов, оборудованных тепловыми насосами, среди которых и очистные сооружения в городе Эсслинген. Полученный опыт успешно был внедрён на объекте в Нижнеивкино.

Редакция благодарит инженера ПТО ООО «Балтекс СПб. Строительство и Реновации» Людмилу Сергеевну Карпову и инженера ВКХ ЗАО «Санаторий Нижне­Ивкино» Андрея Владимировича Коряковцева за предоставленный материал.

Сайт компании ООО «Балтекс СПб. Строительство и Реновации»: www.spb­balteks.ru

Статья опубликована в объединённом выпуске «Весна 2018»
журналов «Инструменты» + «Всё для стройки и ремонта» + «GardenTools»

серии «Потребитель».

Архив всех выпусков в pdf-формате смотрите здесь.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector